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SOFC(고체산화물 연료전지)에서 Air Pre-Heater(공기 예열기)는 연료전지의 열효율과 성능을 높이기 위해 사용됩니다.
Air Pre-Heater는 SOFC 시스템 내에서 공기를 미리 가열하여, 연료와 산소의 반응 효율을 극대화하고, 전체 시스템의 에너지 전환 효율을 향상시키는 역할을 합니다.
AOGC(Anode Off-Gas Converter): SOFC의 양극을 지나면서 반응하지 않고 배출되는 잔류 연료 가스를 의미하는데 이 잔류 가스에는 여전히 수소나 일산화탄소와 같은 미반응 연료 성분이 포함되어 있습니다.
AOGC는 이 잔류 연료를 산화시켜 열을 발생시키고, 이 열을 SOFC 스택의 작동 온도 유지나 시스템 효율을 높이는 데 재사용합니다. 예를 들어, SOFC의 시동, 예열 또는 스택의 온도를 일정하게 유지하는 데 활용될 수 있습니다.
고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템에서 리포머(Reformer)의 가장 중요한 역할은 천연가스, 바이오가스 등 탄화수소계 연료를 SOFC 스택이 사용할 수 있는 수소와 일산화탄소 혼합 가스(개질 가스)로 변환하는 것입니다.
SOFC는 600~1000도의 높은 온도에서 작동하는 특징 덕분에 다른 저온형 연료전지보다 연료 변환 과정이 단순하고 효율적입니다.
탄화수소 연료의 주성분인 메탄(CH4)을 수소와 일산화탄소로 변환하는 화학 반응을 촉진하며 주로 수증기 개질(Steam Reforming) 방식을 사용합니다.
SOFC(고체산화물 연료전지) 시스템에서 스택(stack)으로 유입되고 유출되는 공기(Air)와 연료(Fuel)는 전기화학 반응과 시스템의 열 관리에 필수적인 역할을 하며 이 공기 중의 산소(O2)가 전기화학 반응에 필요한 산화제 역할을 합니다.
음극 캐소드에서 산소 이온(O2-)으로 변환되고 남은 잔여 공기가 배출됩니다.
또한 배출되는 고온의 공기는 열교환기를 통해 유입되는 연료나 공기를 예열하는데 사용되어 시스템의 효율을 높이는 데 기여합니다.
양극(Anode) 측으로 수소(H2), 일산화탄소(CO), 또는 메탄(CH4)과 같은 탄화수소 연료가 유입되며 이 연료는 전자를 방출하는 환원제 역할을 합니다.
메탄과 같은 탄화수소 연료는 스택 내부의 양극(Anode )에서 수소와 일산화탄소로 개질(reforming)되어 전기화학 반응에 이용됩니다.
연료는 일반적으로 반응 효율을 최적화하기 위해 스택에 들어가기 전에 시스템에서 나오는 배기가스(Air Out, Fuel Out)의 열을 이용해 고온으로 예열됩니다.
스택에 공급되는 연료 가스(예: 수소, 일산화탄소, 개질된 가스)나 산화제(공기)가 여러 유입 경로에서 들어올 경우, 믹서 파이프는 이들을 균일하게 혼합하여 스택의 각 셀(단위 전지)에 일정한 조성과 온도의 가스가 공급되도록 합니다.
연료와 공기가 스택의 매니폴드(Manifold)로 들어가기 직전, 믹서 파이프는 가스 유동을 안정화하고 균일하게 분산시켜 스택 내부의 각 셀에 동일한 양의 연료와 공기가 공급되게 하여, 셀 간의 온도 편차와 성능 불균일을 최소화합니다.
PEMFC(고분자전해질 연료전지)는 고온에서 작동하는 SOFC와 달리 60~80℃의 저온에서 운전되므로, 효율적인 열 관리를 위해 열교환기가 필수적이며 연료전지 시스템에서 발생하는 열을 회수하여 온수 공급 등에 활용하는데, 이때 쉘앤튜브 타입과 판형 열교환기가 주로 사용됩니다.
쉘앤튜브 열교환기는 원통형의 쉘(shell) 내부에 여러 개의 작은 튜브(tube) 다발이 들어 있습니다. 한쪽 유체는 튜브 내부를 흐르고, 다른 쪽 유체는 튜브 외부의 쉘 공간을 흐르며 열을 교환합니다.
특징은높은 내구성: 높은 압력과 온도에 잘 견디므로 가혹한 운전 환경에 적합합니다.
효율은 판형 열교환기에 비해 열전달 효율이 낮은 편입니다.
판형 열교환기는 쉘앤튜브보다 발전된 형태로 효율성과 소형화에 강점을 가집니다.
여러 개의 얇은 금속판(plate)을 쌓아 올린 형태로서 각 판에는 유체가 흐르는 통로가 만들어져 있어, 뜨거운 유체와 차가운 유체가 판을 사이에 두고 서로 엇갈리게 흐르며 열을 교환합니다.
특징은 얇은 판을 통해 열을 교환하므로 열전달 효율이 매우 뛰어납니다. 동일 용량의 쉘앤튜브보다 훨씬 높은 효율을 낼 수 있으며 판을 적층함에 따라서 용량을 자유자재로 검토가 가능합니다.
